(57)【要約】【課題】大電流放電時に起こる電池特性の低下を抑制できるようにして、大電流放電が可能な密閉型蓄電池を提供する。【解決手段】本発明の密閉型蓄電池は、セパレータ１３を間にして正極１１と負極１２とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群１０ａを円筒状の金属製外装缶内に備えている。負極集電体１４は本体部１４ａと、本体部１４ａより延出して形成された集電タブ部１４ｂとを備えている。本体部１４ａは渦巻状電極群１０ａの高さ方向の下端部から下方に突出する負極芯体１２ｃに溶接されている。集電タブ部１４ｂは、硬度が外装缶の硬度よりも低く形成されているとともに、渦巻状電極群の下端から上方に向けて折り曲げられていて、渦巻状電極群１０ａと外装缶との間に密着配置されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを間にして正極と負極とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群を円筒状の金属製外装缶内に備えた密閉型蓄電池であって、
略円形状の本体部と、該本体部より延出して形成された略長方形状の集電タブ部とからなる集電体を備え、
前記本体部は前記渦巻状電極群の高さ方向の下端部から下方に突出する一方の電極の芯体に溶接されており、
前記集電タブ部は硬度が前記外装缶の硬度よりも低く形成されているとともに、前記渦巻状電極群の下端から上方に向けて折り曲げられていて、当該渦巻状電極群と前記外装缶との間に密接して配置されていることを特徴とする密閉型蓄電池。
【請求項２】
前記集電タブ部と前記本体部の硬度が等しく、かつ前記外装缶の硬度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の密閉型蓄電池。
【請求項３】
前記外装缶の硬度よりも低い前記集電タブ部あるいは前記集電タブ部と前記本体部はアニール処理により前記外装缶の硬度よりも低く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密閉型蓄電池。
【請求項４】
前記折り曲げられた集電タブ部が前記渦巻状電極群と前記外装缶との間に配置された後、当該外装缶が絞り加工により縮径されて、前記集電タブ部が前記渦巻状電極群と前記外装缶との間に密接して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の密閉型蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池あるいはリチウムイオン電池などの密閉型蓄電池に係り、特に、セパレータを間にして正極と負極とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群を円筒状の金属製外装缶内に備えた密閉型蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
密閉型蓄電池においては、一般的に、セパレータを間にして正極と負極とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群が外装缶内に収容されており、この渦巻状電極群の上端部に正極芯体が、下端部に負極芯体がそれぞれ突出して形成されている。そして、電池内部で発生した電気エネルギーを効率的に外部に取り出すため、通常、正極芯体に正極集電体が溶接され、負極芯体に負極集電体が溶接されており、正極集電体は正極端子を兼ねる封口体に溶接され、負極集電体は負極端子を兼ねる外装缶に溶接されて、集電経路が形成されるようになされている。
【０００３】
ところで、正極集電体と正極端子との溶接あるいは負極集電体と負極端子との溶接において、溶接スパッタによる電池内部短絡や溶接焼けや穴あき等が生じて、品質低下を引き起こすという問題を生じた。また、溶接のための設備も必要になったり、溶接電極の磨耗により溶接電極交換の手間が生じたり、溶接設備のメンテナンスや切り替え調整などの手間も生じて、保守のための多大な時間とコストも必要になるという問題も生じた。
このため、負極集電体と負極端子を兼ねる外装缶の缶底との溶接工程を省略しても、内部抵抗の増加などの電池特性の低下を抑制できる製造方法が、例えば、特許文献１（実開昭５８−７０６７１号）などで提案されるようになった。
【０００４】
この特許文献１にて提案された製造方法においては、負極集電体の本体部から突出して形成された集電タブ部を折り曲げ、この折り曲げられた集電タブ部を電極体（渦巻状電極群に正極集電体と負極集電体が溶接されたもの）と外装缶との間に挟み込み、外装缶を絞り加工して集電タブ部を外装缶に密着させるようにするものである。
【特許文献１】実開昭５８−７０６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、近年、電気自動車、電動バイク、アシスト自転車あるいは電動工具等の大電流用途向けの電池として、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン蓄電池等の密閉型蓄電池の需要が高まるようになった。
この種の用途に用いられる密閉型蓄電池においては、従来にない大電流放電がなされる必要がある。このため、上述した特許文献１で提案されるように、集電タブ部を電極体と外装缶との間に挟み込み、外装缶を絞り加工して集電タブ部を外装缶に密着させるようにしてただけでは電池内部抵抗を十分に低減化できず、大電流放電時に電池特性が低下するという問題に直面するようになった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、集電タブ部を電極体と外装缶との間に挟み込み、外装缶を絞り加工して集電タブ部を外装缶に密着させるようにして作製される密閉型蓄電池においても、大電流放電時に起こる電池特性の低下を抑制できるようにして、大電流放電が可能な密閉型蓄電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の密閉型蓄電池は、セパレータを間にして正極と負極とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群を円筒状の金属製外装缶内に備えている。そして、上記目的を達成するため、略円形状の本体部と、該本体部より延出して形成された略長方形状の集電タブ部とからなる集電体を備え、本体部は渦巻状電極群の高さ方向の下端部から下方に突出する一方の電極の芯体に溶接されており、集電タブ部は硬度が外装缶の硬度よりも低く形成されているとともに、渦巻状電極群の下端から上方に向けて折り曲げられていて、当該渦巻状電極群と外装缶との間に密着配置されていることを特徴とする。
【０００８】
このように、集電タブ部の硬度を外装缶の硬度よりも低く設定することで集電タブ部が容易に外装缶の曲面に沿って変形できるようになる。このため、集電タブ部と外装缶との接触面積が増加するので内部抵抗を低減させることが可能となり、大電流放電時でも電池特性の低下を抑制することが可能となる。これにより、集電タブ部と外装缶の缶底との溶接工程を省略することが可能となる。
【０００９】
なお、集電タブ部と本体部の硬度が等しいとともに、これらの硬度は外装缶の硬度よりも低く設定するようにしてもよい。この場合、外装缶の硬度よりも低い集電タブ部あるいは集電タブ部と本体部はアニール処理により外装缶の硬度よりも低く形成されているのが望ましい。また、折り曲げられた集電タブ部が渦巻状電極群と外装缶との間に配置された後、当該外装缶が絞り加工により縮径されて、集電タブ部が渦巻状電極群と外装缶との間に密接するようするのが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、集電体の集電タブ部の硬度を外装缶の硬度より低く設定することで、集電タブ部が容易に外装缶の曲面に沿って変形できるようになる。このため、集電タブ部と外装缶との接触面積が増加するようになって、大電流放電においても、大きな電圧降下が生じなくなる。この結果、電池特性を低下させることなく、集電体と外装缶の缶底との溶接工程を省略することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用した場合の一実施の形態を図１〜図３に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものでなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。なお、図１は本発明の電極体の構成要素を模式的に示す斜視図である。図２は電極群に集電体を溶接する状態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は一対の溶接電極を示す斜視図であり、図２（ｂ）は集電体の上に図２（ａ）に示す一対の溶接電極を配置した状態を模式的に示す上面図である。図３は本発明のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。
【００１２】
１．電極体の構成要素
（１）ニッケル正極板
ニッケル正極板１１は、極板芯体１１ａに水酸化ニッケルを主体とする正極活物質１１ｂが充填され、所定の寸法（例えば、長さが２００ｍｍで、幅が３３ｍｍで、厚みが０．５ｍｍ）になるように圧延や切断などがなされて作製されている。なお、作製後のニッケル正極板１１の上端部には活物質未充填部１１ｃが形成されるようになされていて、後に、この活物質未充填部１１ｃに正極集電体１５が溶接されることとなる。
【００１３】
（２）カドミウム負極板
カドミウム負極板１２は、パンチングメタルからなる極板芯体１２ａの両面に酸化カドミウムを主体とする負極活物質と導電剤と結着剤とからなる負極活物質スラリー１２ｂが塗布され、乾燥後、所定の厚み（例えば、０．６ｍｍ）になるまで圧延された後、所定の寸法（例えば、長さが２４０ｍｍで、幅が３３ｍｍ）になるように切断されて作製されている。なお、作製後のカドミウム負極板１２の下端部後には活物質未充填部１２ｃが形成されるようになされていて、後に、この活物質未充填部１２ｃに負極集電体１４が溶接されることとなる。
【００１４】
（３）渦巻状電極群
これらのニッケル正極板１１とカドミウム負極板１２との間に、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータ（例えば、幅が３４ｍｍのもの）１３を介在させて渦巻状に巻回することにより渦巻状電極群１０ａとなされている。この場合、図１に示すように、ニッケル正極板１１の活物質未充填部１１ｃがセパレータ１３の上端部より突出し、カドミウム負極板１２の活物質未充填部１２ｃがセパレータ１３の下端部より突出するように積層して配置した後、渦巻状に巻回するようになされている。
【００１５】
このようにして作製された渦巻状電極群１０ａの上部は、ニッケル正極板１１の活物質未充填部１１ｃが露出するとともに、その下部にはカドミウム負極板１２の活物質未塗着部１２ｃが露出することとなる。なお、渦巻状電極群１０ａの中心部には、巻芯軸が除去されて形成された空間部を備えている。
【００１６】
（４）負極集電体
負極集電体１４は、ニッケル鍍金鋼板をプレス機での打ち抜き成型により作製されており、図１に示すように、平面形状が円形状（例えば、直径が１７．５ｍｍ）となる本体部１４ａと、この本体部１４ａから延出して形成された平面形状が略長方形状の集電タブ部１４ｂとを備えている。そして、本体部１４ａの中心部の周囲には多数の開孔１４ｃと一対のスリット１４ｄが形成されている。ここで、開孔１４ｃの周縁には、図の下方から上方に突出する突縁（図示せず）が形成されている。また、一対のスリット１４ｄは円形状の本体部１４ａを略半分に分割するように形成されている。なお、この一対のスリット１４ｄを設けることにより、溶接時に負極集電体１４に流れる無効電流を低減することが可能となる。
【００１７】
この場合、負極集電体１４は後述する外装缶１７と同様の硬度（例えば、硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）を有するニッケル鍍金鋼板により形成されているが、少なくとも、集電タブ部１４ｂの硬度は外装缶１７の硬度よりも低く形成されている。そのため、集電タブ部１４ｂのみをニッケル鍍金鋼板（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）をプレス機での打ち抜き成型により別体により形成し、これをアニール処理して硬度を外装缶１７の硬度よりも低くなるように形成（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ８００になるように形成）し、この集電タブ部１４ｂを本体部１４ａに溶接して形成したものを実施例１の負極集電体１４（ａ）とした。
【００１８】
また、ニッケル鍍金鋼板（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）を本体部１４ａと集電タブ部１４ｂとが形成されるようにプレス機での打ち抜き成型により形成した後、これをアニール処理して硬度を外装缶１７の硬度よりも低くなるように形成（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ８０になるように形成）したものを実施例２の負極集電体１４（ｂ）とした。さらに、ニッケル鍍金鋼板（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）を本体部１４ａと集電タブ部１４ｂとが形成されるようにプレス機での打ち抜き成型により形成したものをアニール処理することなく、硬度が外装缶１７の硬度と等しいものを比較例の負極集電体１４（ｘ）とした。
【００１９】
（５）正極集電体
正極集電体１５は、ニッケル鍍金鋼板（例えば、硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）をプレス機での打ち抜き成型により作製されており、図１に示すように、平面形状が略円形状（例えば、直径が１７．５ｍｍ）の本体部１５ａと、この本体部１５ａから延出して形成された平面形状が略長方形状の集電タブ部１５ｂとを備えている。そして、本体部１５ａの中心部には中心開口（例えば、直径は５．３ｍｍ）１５ｃが形成されているとともに、中心開口１５ｃの周囲には多数の開孔１５ｄと一対のスリット１５ｅが形成されている。この場合、正極集電体１５の集電タブ部１５ｂはアニール処理がなされておらず、外装缶１７の硬度と等しいものとなされている。
【００２０】
なお、多数の開孔１５ｄはバーリング加工により形成されていて、開孔１５ｄの周縁には、図の上方から下方に突出する突縁（図示せず）が形成されている。また、一対のスリット１５ｅは円形状の本体部１５ａを略半分に分割するように形成されていて、溶接時に正極集電体１５に流れる無効電流を低減することが可能となる。
【００２１】
２．電極体
ついで、上述のような構成となる渦巻状電極群１０ａと、負極集電体１４（ａ，ｂ，ｘ）と、正極集電体１５とを用いて電極体を作製する例について、以下に詳述する。
上述のように作製された渦巻状電極群１０ａのニッケル正極板１１の活物質未充填部１１ｃの上端面に正極集電体１５を配置する。この場合、渦巻状電極群１０ａの中心部に形成された空間部と、正極集電体１５の本体部１５ａの中心部に形成された中心開口１５ｃとが一致するように配置する。
【００２２】
ついで、正極集電体１５の本体部１５ａの上に一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２（図２参照）をそれぞれ載置する。このとき、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２が正極集電体１５の本体部１５ａに形成された一対のスリット１５ｅ，１５ｅを間にしてそれぞれが相対向するように載置する。この後、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２間に溶接電源（６０Ｈｚの交流電源）Ｖから溶接電流（３．０ｋＡで２サイクル）を印加する。これにより、バーリング加工により開孔１５ｄの周縁に形成された突縁（図示せず）とニッケル正極１１の活物質未充填部１１ｃとが抵抗溶接され、渦巻状電極群１０ａの上端面に正極集電体１５が溶接されることとなる。
【００２３】
一方、渦巻状電極群１０ａのカドミウム負極板１２の活物質未充填部１２ｃの下端面に負極集電体１４（ａ，ｂ，ｘ）を配置する。ついで、負極集電体１４に上述と同様に一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２を当接させた後、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２間に溶接電源（６０Ｈｚの交流電源）Ｖから溶接電流（３．０ｋＡで１サイクル）を印加してカドミウム負極板１２の活物質未塗着部１２ｃと負極集電体１４との接触部を抵抗溶接する。
これにより、実施例１の渦巻状電極体ａ１（負極集電体ａを用いたもの），実施例２の渦巻状電極体ｂ１（負極集電体ｂを用いたもの），比較例の渦巻状電極体ｘ１（負極集電体ｘを用いたもの）が作製されることとなる。
【００２４】
４．ニッケル−カドミウム蓄電池
ついで、上述のようにして作製された電極体ａ１，ｂ１，ｘ１を用いてニッケル−カドミウム蓄電池を作製する例を図３に基づいて以下に説明する。まず、ニッケル鍍金鋼板（硬度（ビッカーズ硬度）がＨｖ１００のもの）をプレス機での打ち抜き成型により作製した円筒状外装缶１７を用意する。ついで、上述のようにして作製された電極体ａ１，ｂ１，ｘ１の負極集電体１４の本体部１４ａより延出した集電タブ部１４ｂを、電極体ａ１，ｂ１，ｘ１の外周面に沿って、電極体ａ１，ｂ１，ｘ１の下端部から上方に向けて略垂直方向に折り曲げた後、外装缶１７内に挿入する。
この後、正極蓋１８ａと正極キャップ１８ｂとからなる封口体１８を用意し、正極集電体１５から延出する集電タブ部１５ｂを封口体１８に設けられた正極蓋１８ａの底部に溶接する。なお、正極蓋１８ａと正極キャップ１８ｂとからなる封口体１８内には、弁体１８ｃと、この弁体１８ｃを付勢するスプリング１８ｄとが配置されている。
【００２５】
ついで、電極体ａ１，ｂ１，ｘ１の上部外周部にリング状のスペーサ１９ｂを配置した後、外装缶１７の上部外周面に溝入れ加工を施して環状溝部１７ａを形成する。この後、金属製外装缶１７内に電解液（例えば、３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液）を注液し、封口体１８の外周部に装着された封口ガスケット１９ａを外装缶１７の環状溝部１７ａの上に載置するとともに、外装缶１７の先端部１７ｂを封口体１８側にカシメて封口する。
【００２６】
この後、外装缶１７の外周面全体を絞り加工して負極集電体１４の本体部１４ａより立設した集電タブ部１４ｂを外装缶１７の内側面に密着させるようにして、ニッケル−カドミウム蓄電池Ａ，Ｂ，Ｘをそれぞれ組み立てる。ここで、電極体ａ１を用いたものを電池Ａとし、電極体ｂ１を用いたものを電池Ｂとし、電極体ｘ１を用いたものを電池Ｘとした。なお、これらの電池Ａ，Ｂ，ＸはＳＣサイズで、電池容量は２．４Ａｈである。
【００２７】
５．電池特性試験
ついで、上述のように作製されたニッケル−カドミウム蓄電池Ａ，Ｂ，Ｘを用いて電池特性試験を行った。
（活性化処理）
まず、各電池Ａ，Ｂ，Ｘをそれぞれ２５℃の温度雰囲気下で、０．１Ｉｔ（２４０ｍＡ）の充電電流で１６時間充電を行った。この後、１時間放置し、０．２Ｉｔ（４８０ｍＡ）の放電電流で各電池Ａ，Ｂ，Ｘの電圧が１．０Ｖになるまで放電を行い、活性化処理を行った。
【００２８】
（放電容量・放電時作動電圧）
ついで、上述のように活性化処理を行った後、以下のようにして放電容量と放電時作動電圧の測定を行った。
この場合、まず、２５℃の温度雰囲気下で、電池Ａ，Ｂ，Ｘに１Ｉｔ（２．４Ａ）の充電電流で、いわゆる−ΔＶ充電を施した（電池電圧が最大値から１０ｍＶ低下した時点で充電を停止する）。その後、１時間放置し、１Ｉｔ（２．４Ａ）の電流値で電池電圧が０．８Ｖになるまで放電を行った。この１Ｉｔ（２．４Ａ）で放電したときの容量を放電容量とし、放電が終了するまでの時間の半分の時点での放電電圧を放電作動電圧として求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。
【００２９】
同様に、１０Ｉｔ（２４Ａ）の電流値で電池電圧が０．８Ｖになるまで放電を行い、１０Ｉｔ（２４Ａ）で放電したときの放電容量と、放電作動電圧を求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。さらに、４０Ａの電流値で電池電圧が０．８Ｖになるまで放電を行い、４０Ａで放電したときの放電容量と、放電作動電圧を求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。なお、表１においては、電池Ｘの１Ｉｔ放電時の放電容量および放電作動電圧を１００とし、他の１０Ｉｔ放電時、４０Ａ放電時の放電容量、作動電圧、および他の電池Ａ，Ｂの１Ｉｔ放電時、１０Ｉｔ放電時、４０Ａ放電時の放電容量、作動電圧をそれとの比（放電容量比、作動電圧比）で示している。
【表１】
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【００３０】
上記表１の結果から明らかなように、１Ｉｔ放電時の放電容量および放電作動電圧においては、電池Ｘであっても、電池Ａであっても、あるいは電池Ｂであっても、格別差異が生じていないことが分かる。一方、１０Ｉｔ時の放電容量および放電作動電圧においては、電池Ｘよりも、電池Ａ、Ｂの方が向上していることが分かる。また、４０Ａという大電流放電時においては、電池Ｘよりも、電池Ａ、Ｂの方がさらに向上していることが分かる。さらに、電池Ａであっても、電池Ｂであっても、格別差異が生じていないことが分かる。
【００３１】
これは、負極集電体１４の集電タブ部１４ｂの硬度を外装缶１７の硬度より低く設定することで、集電タブ部１４ｂが容易に外装缶１７の曲面に沿って変形できるようになる。このため、集電タブ部１４ｂと外装缶１７との接触面積が増加するようになって、大電流放電においても、大きな電圧降下が生じなくなったためと考えられる。
この結果、電池特性を低下させることなく、負極集電体１４と外装缶１７の缶底との溶接工程を省略することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
なお、上述した実施の形態においては、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用する例について説明したが、本発明はニッケル−カドミウム蓄電池以外にも、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン電池などの密閉型蓄電池に適用しても同様の効果が得られることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の電極体の構成要素を模式的に示す斜視図である。
【図２】電極群に集電体を溶接する状態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は一対の溶接電極を示す斜視図であり、図２（ｂ）は集電体の上に図２（ａ）に示す一対の溶接電極を配置した状態を模式的に示す上面図である。
【図３】本発明のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０ａ…渦巻状電極群、１１…ニッケル正極板、１１ａ…極板芯体、１１ｂ…正極活物質スラリー、１１ｃ…活物質未充填部、１２…カドミウム負極板、１２ａ…極板芯体、１２ｂ…負極活物質スラリー、１２ｃ…活物質未充填部、１３…セパレータ、１４…負極集電体、１４ａ…本体部、１４ｂ…集電タブ部、１４ｃ…開孔、１４ｄ…スリット、１５…正極集電体、１５ａ…本体部、１５ｂ…集電タブ部、１５ｃ…中心開口、１５ｄ…開孔、１５ｅ…スリット、１７…外装缶、１７ａ…環状溝部、１７ｂ…先端部、１８…封口体、１８ａ…正極蓋、１８ｂ…正極キャップ、１８ｃ…弁体、１８ｄ…スプリング、１９ａ…封口ガスケット、１９ｂ…スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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